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    珊溪水庫(kù)增設(shè)大壩量水堰工程措施研究

    2018-01-22 05:27:34王棟良郎玲芳
    大壩與安全 2017年6期
    關(guān)鍵詞:壩坡防滲墻滲流

    王棟良,郎玲芳

    (中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州,311122)

    1 工程概況

    珊溪水庫(kù)位于浙江省東南部溫州市境內(nèi)飛云江干流中游河段,工程建成于2000年。攔河壩為混凝土面板堆石壩,最大壩高132.50 m,壩頂高程156.80 m。水庫(kù)工程正常蓄水位為142 m,相應(yīng)庫(kù)容12.91億m3。工程為I等工程,大壩為1級(jí)建筑物,按照7度設(shè)防。

    珊溪水庫(kù)在壩基內(nèi)埋設(shè)了滲壓計(jì),在左右岸山體內(nèi)布置了地下水位觀測(cè)孔,可分析、判斷壩基及兩岸巖體的滲漏情況。隨著水庫(kù)的運(yùn)行,多數(shù)滲壓計(jì)已損壞、失效,當(dāng)前已沒有有效的方法或者途徑對(duì)大壩的滲流穩(wěn)定和安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。兩側(cè)山體內(nèi)部的地下水位觀測(cè)孔僅能定性研究?jī)砂稁r體的滲漏情況,無法對(duì)大壩滲漏情況作出評(píng)價(jià)。但大壩的滲流對(duì)大壩安全運(yùn)行影響重大,混凝土面板堆石壩的滲流量大小也是趾板、面板、周邊縫、接縫和基礎(chǔ)防滲等施工質(zhì)量和運(yùn)行狀況的綜合反映。

    由于壩體內(nèi)損壞的滲壓計(jì)難以恢復(fù),重新埋設(shè)新的滲壓計(jì)也不現(xiàn)實(shí),在壩體內(nèi)設(shè)置水位觀測(cè)孔,采用水力坡降法計(jì)算滲漏量,方法復(fù)雜、觀測(cè)精度差,因此在珊溪水庫(kù)大壩壩后設(shè)置量水堰是珊溪水庫(kù)的必然選擇。

    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件以及水庫(kù)的運(yùn)行條件,珊溪水庫(kù)工程僅大壩壩后壓坡平臺(tái)部位具備布置量水堰的條件。壓坡平臺(tái)面積約14 500 m2,地面高程約60 m,現(xiàn)為景觀綠化區(qū)。壓坡體為7~15.5 m厚的人工拋填塊石層,該層壓縮性低、均質(zhì)性差、局部架空,連續(xù)分布于整個(gè)場(chǎng)區(qū),下部為15~22 m厚的砂卵礫石層,旋噴樁及帷幕灌漿對(duì)此類地層適用性差,因此選用防滲墻截?cái)鄩误w的滲漏量。

    珊溪水庫(kù)增設(shè)大壩量水堰工程的重點(diǎn)及難點(diǎn)主要為量水堰防滲墻,因此筆者重點(diǎn)對(duì)量水堰防滲墻的設(shè)計(jì)及防滲墻對(duì)大壩的影響進(jìn)行分述。

    2 量水堰防滲墻設(shè)計(jì)

    2.1 防滲墻設(shè)計(jì)原則

    圖1 壓坡平臺(tái)地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of slope platform

    珊溪水庫(kù)量水堰工程主要包括截?cái)嗌暗[石層滲漏的防滲墻、堰渠及相應(yīng)的觀測(cè)設(shè)備。防滲墻底部及兩岸需伸入基巖,以阻斷滲漏水流,同時(shí)考慮到大壩防滲設(shè)計(jì)時(shí),已將防滲帷幕延至兩岸山體內(nèi)與地下水位線相接,且山體相對(duì)雄厚,巖體相對(duì)較好,為弱~微透水性,一般q≤3 Lu,繞壩滲漏相對(duì)較弱,因此防滲墻截?cái)嗟闹饕莵碜杂趬误w和壩基滲漏水。

    此外,為了降低施工過程中對(duì)壩體的擾動(dòng)、降低施工難度、減少施工對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)行的影響并保證量水堰建成后的正常運(yùn)行,節(jié)省投資,量水堰的布置還需遵循以下原則:(1)防滲墻軸線需盡可能遠(yuǎn)離大壩;(2)防滲墻軸線需盡可能避開大塊石集中部位;(3)減少施工期對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)行的影響,防滲墻施工平臺(tái)需高于4臺(tái)機(jī)組滿發(fā)水位48.38 m;(4)需盡可能縮短防滲墻軸線長(zhǎng)度,以減少投資。

    2.2 平面布置及剖面設(shè)計(jì)

    量水堰防滲墻布置在大壩下游挖除部分超徑塊石后所形成的施工平臺(tái)上,該平臺(tái)高程50.00 m。量水堰防滲墻軸線呈直線布置,為了不影響大壩下游壩坡穩(wěn)定和廠房正常發(fā)電,防滲墻軸線盡量向下游移。

    量水堰防滲墻墻頂高程48.00 m,墻頂上設(shè)2.0 m高的立模現(xiàn)澆常態(tài)混凝土墻頭,墻頭頂高程50.00 m,墻頭與防滲墻之間采用鍵槽連接,并設(shè)銅片止水。防滲墻底伸入基巖1.0 m,兩岸分別插入混凝土岸墻1.0 m,左岸混凝土岸墻長(zhǎng)7.03 m,右岸混凝土岸墻長(zhǎng)6.54 m,岸墻基礎(chǔ)均置于基巖上。為防止基巖表面因防滲墻造孔造成破碎滲漏,右岸及河床部位防滲墻底部進(jìn)行孔距2 m、深5 m帷幕灌漿處理;為減少基礎(chǔ)滲漏,左岸防滲墻底部進(jìn)行孔距2 m、深20 m帷幕灌漿處理。

    量水堰防滲墻墻體、墻頭、岸墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25。

    2.3 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

    混凝土防滲墻設(shè)計(jì)主要包括防滲墻厚度、墻體材料、墻頭及與兩岸的連接形式等方面的設(shè)計(jì),各方面的內(nèi)容敘述如下。

    2.3.1 墻厚

    圖2 防滲墻下游面立視圖Fig.2 Vertical view of downstream of cut-off wall

    本工程混凝土防滲墻位于大壩下游,防滲墻上、下游水頭差較小,從允許水力梯度考慮,防滲墻厚度較薄,厚度取0.6 m即可。但珊溪量水堰工程在超徑塊石層及砂卵礫石層中造孔,造孔代價(jià)較大,墻厚取0.6 m時(shí)減少的混凝土量不能抵償鉆孔量增大的代價(jià),經(jīng)濟(jì)上并不合理。同時(shí)考慮到防滲墻耐久性、簡(jiǎn)化施工等方面的因素,防滲墻體厚度取0.8 m。

    2.3.2 墻體、墻頭及岸墻材料

    防滲墻墻體施工為水下槽段混凝土澆筑,其強(qiáng)度一般只有空氣中澆筑的50%~90%,因此防滲墻混凝土采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25,防滲等級(jí)W8,防滲墻配筋以40 kg/m3控制。

    墻頭及岸墻對(duì)防滲墻體起保護(hù)作用,其混凝土強(qiáng)度等級(jí)和防滲等級(jí)與防滲墻體相同。

    2.3.3 防滲墻嵌入基巖深度

    防滲墻嵌入基巖的深度主要從防滲和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的要求來考慮,一般為0.3~1.2 m,本工程防滲墻要求嵌入基巖1.0 m深。

    2.3.4 防滲墻與左、右岸坡的連接

    防滲墻體在左、右岸坡均采用在岸墻混凝土中預(yù)留槽孔、防滲墻體插入預(yù)留槽孔方式與其連接。左、右岸墻基礎(chǔ)均置于岸坡基巖線下1 m。

    2.3.5 防滲墻體與頂部墻頭接縫和墻頭內(nèi)施工縫處理

    防滲墻體與頂部墻頭接縫和墻頭內(nèi)施工縫均采用預(yù)留“凹”型鍵槽連接,并在接縫部位設(shè)置并縫鋼筋和止水。

    3 計(jì)算復(fù)核

    大壩下游增設(shè)量水堰后,由于量水堰防滲墻截?cái)嗔藟位c壩體滲漏來水,會(huì)造成壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的抬高,因此需要對(duì)大壩運(yùn)行期壩坡穩(wěn)定、應(yīng)力應(yīng)變及滲流進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。此外,需對(duì)量水堰防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行復(fù)核,以確保量水堰安全、有效運(yùn)行。

    3.1 大壩運(yùn)行期滲流估算

    滲流估算采用專業(yè)滲流分析軟件GeoStudio程序,分別對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位等3個(gè)工況時(shí)的大壩滲流進(jìn)行計(jì)算。特征水位參見表1,其中正常蓄水位時(shí)的下游水位取4臺(tái)機(jī)滿發(fā)水位,即48.38 m。壩體上游采用鋼筋混凝土面板防滲,考慮工程已運(yùn)行多年,計(jì)算時(shí)取面板滲透系數(shù)為K=1.0×10-6cm/s,壩基q≤3 Lu的巖層作為相對(duì)不透水層。

    計(jì)算時(shí)采用四邊形單元、局部采用三角形單元對(duì)選取大壩及基礎(chǔ)剖面進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,劃分后的有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 178,單元總數(shù)為1187。計(jì)算網(wǎng)格見圖3。計(jì)算材料滲透系數(shù)見表2。

    表1 特征水位表Table 1 Characteristic water level

    圖3 計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.3 Computational mesh

    經(jīng)估算,正常蓄水位時(shí)單寬滲漏量為1.91×10-4m3/(s·m),總滲漏量為60.73 L/s,為多年平均流量的0.097%;設(shè)計(jì)洪水位時(shí)單寬滲漏量為2.19×10-4m3/(s·m),總滲漏量為68.05 L/s,為多年平均流量的0.111%;校核洪水位時(shí)單寬滲漏量為2.34×10-4m3/(s·m),總滲漏量為72.94 L/s,為多年平均流量的0.119%。各工況時(shí)的大壩滲流量均較小,壩基及壩體的滲透坡降、下游逸出坡降均在允許范圍內(nèi)。正常蓄水位時(shí)滲流場(chǎng)總水頭等勢(shì)線云圖見圖4。

    表2 材料滲透系數(shù)Table 2 Permeability coefficients of each material

    3.2 壩坡穩(wěn)定復(fù)核

    大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核采用陳祖煜院士的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2008》,考慮堆石料的非線性抗剪強(qiáng)度,分別按瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法,對(duì)大壩運(yùn)行期上、下游壩坡進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

    3.2.1 運(yùn)行期計(jì)算工況

    (1)正常運(yùn)用情況:水庫(kù)死水位時(shí),大壩上游壩坡穩(wěn)定;水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位時(shí),大壩下游壩坡穩(wěn)定。

    (2)非常運(yùn)用情況:水庫(kù)校核洪水位時(shí),下游壩坡穩(wěn)定;水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位遇7度地震時(shí),下游壩坡穩(wěn)定;水庫(kù)死水位遇7度地震時(shí),上游壩坡穩(wěn)定。

    3.2.2 計(jì)算參數(shù)

    壩坡穩(wěn)定材料計(jì)算參數(shù)見表3。

    運(yùn)行期各工況下,上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

    由表4計(jì)算結(jié)果可知:運(yùn)行期大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值,滿足規(guī)范要求。

    3.3 大壩及防滲墻運(yùn)行期應(yīng)力、應(yīng)變復(fù)核

    選取河床典型大壩剖面,利用河海大學(xué)開發(fā)的實(shí)打?qū)嵧潦瘔螒?yīng)力應(yīng)變計(jì)算程序(SDAS),對(duì)大壩及量水堰防滲墻運(yùn)行期應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。

    表3 壩坡穩(wěn)定材料計(jì)算參數(shù)Table 3 Stability parameters of each slope material

    表4 運(yùn)行期各工況下大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果Table 4 Calculation results of dam slope stability

    3.3.1有限元計(jì)算模型

    采用四邊形單元(局部采用三角形單元過渡)對(duì)選取的大壩剖面進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分時(shí),考慮了不同材料分區(qū)并模擬了施工蓄水過程。劃分后的有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 262,單元總數(shù)為1 321,整體有限元模型網(wǎng)格見圖5。

    圖5 計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.5 Finite element model grid

    3.3.2 堆石料本構(gòu)關(guān)系

    壩體堆石料采用鄧肯-張雙曲線非線性彈性E-B模型。

    3.3.3 壩料計(jì)算參數(shù)

    各區(qū)壩料計(jì)算參數(shù)見表5。

    3.3.4 壩體填筑及蓄水加荷次序

    第1級(jí):基礎(chǔ)覆蓋層;第2至第30級(jí):壩體填筑、面板澆筑;第31級(jí):水庫(kù)蓄水至設(shè)計(jì)洪水位;第32級(jí):壩后量水堰施工。

    3.3.5 計(jì)算結(jié)果與分析

    運(yùn)行期平面應(yīng)力應(yīng)變的主要計(jì)算成果見表6。

    表5 壩體材料計(jì)算參數(shù)(鄧肯E-B模型)Table 5 Calculation parameters of dam body materials(E-B model)

    表6 運(yùn)行期大壩應(yīng)力變形計(jì)算成果Table 6 Calculation results of dam's stress-strain during operation

    從計(jì)算成果看,運(yùn)行期壩體的位移、應(yīng)力分布合理。壩體最大沉降94 cm,僅為壩高的0.73%,面板最大撓度為56.7 cm,最大相對(duì)撓度僅2.58‰。整個(gè)壩體和壩基的應(yīng)力水平均小于1.0,壩體和壩基無局部失穩(wěn)或剪切破壞現(xiàn)象。量水堰建成后對(duì)大壩應(yīng)力、應(yīng)變無不利影響。

    量水堰施工在大壩建成運(yùn)行以后,此時(shí)大壩沉降位移等均已基本完成,對(duì)防滲墻影響較小。因防滲墻兩側(cè)水頭相當(dāng),防滲墻上、下游側(cè)土壓力也基本一致,因此防滲墻應(yīng)變較小,可忽略不計(jì),防滲墻應(yīng)力主要由自重產(chǎn)生,最大壓應(yīng)力發(fā)生在墻底部,為0.516 MPa,且隨著高程的抬高,應(yīng)力逐漸減少。計(jì)算結(jié)果的等值線見圖6~11。

    圖6 壩體運(yùn)行期水平位移等值線圖Fig.6 Contour map of horizontal displacement of dam during operation

    圖7 壩體運(yùn)行期垂直位移等值線圖(包含基礎(chǔ)沉降)Fig.7 Contour map of vertical displacement of dam during operation

    圖8 壩體運(yùn)行期大主應(yīng)力等值線圖Fig.8 Contour map of major principal stress of dam during operation

    圖9 壩體運(yùn)行期小主應(yīng)力等值線圖Fig.9 Contour map of minor stress of dam during operation

    圖10 運(yùn)行期大壩應(yīng)力水平圖Fig.10 Contour map of stress level of dam during operation

    4 結(jié)語

    (1)量水堰防滲墻布置在挖除大部分超徑塊石的50.00 m平臺(tái)上,施工難度小,施工技術(shù)成熟。

    (2)防滲墻施工完成后對(duì)原有水庫(kù)工程的影響較小,大壩壩坡穩(wěn)定、應(yīng)力應(yīng)變、滲流等均能滿足要求,大壩安全可以得到保障。

    (3)設(shè)置防滲墻后可截?cái)啻髩渭皦位臐B漏水流,并通過量水堰測(cè)算滲漏量,可以持續(xù)獲得大壩的滲流數(shù)據(jù),通過分析滲流監(jiān)測(cè)資料對(duì)大壩的運(yùn)行性狀進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)大壩的安全運(yùn)行、保障城市供水以及實(shí)現(xiàn)水庫(kù)發(fā)電及防洪效益具有重要意義。

    [1]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析:原理、方法、程序[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003.

    [2]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算(第二版)[M].北京:水利電力出版社,1996.

    [3]毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制[M].北京:水利電力出版社,1991.

    [4]SL174-2014,水利水電工程混凝土防滲墻施工規(guī)范[S].

    [5]SL274-2004,碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

    [6]華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.珊溪水庫(kù)增設(shè)大壩量水堰工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].杭州:華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,2016.

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